Aceasta este a treia interacțiune fundamentală care există doar în microcosmos. Este responsabil pentru transformarea unor particule de fermion în altele, în timp ce culoarea peptonilor și quarcilor care interacționează slab nu se schimbă. Un exemplu tipic de interacțiune slabă este procesul de dezintegrare beta, în timpul căruia un neutron liber se descompune într-un proton, un electron și un antineutrin electronic în medie de 15 minute. Dezintegrarea este cauzată de transformarea unui cuarc de aromă d într-un cuarc de aromă u în interiorul neutronului. Electronul emis asigură conservarea sarcinii electrice totale, iar antineutrino permite conservarea impulsului mecanic total al sistemului.

Interacțiune puternică

Funcția principală a forței puternice este de a combina quarci și antiquarci în hadroni. Teoria interacțiunilor puternice este în proces de creație. Este o teorie tipică a câmpului și se numește cromodinamică cuantică. Poziția sa de pornire este postulatul existenței a trei tipuri de încărcături de culoare (roșu, albastru, verde), care exprimă capacitatea inerentă materiei de a combina quarci într-o interacțiune puternică. Fiecare dintre quarci conține o combinație de astfel de sarcini, dar compensarea lor reciprocă completă nu are loc, iar quarcul are o culoare rezultată, adică își păstrează capacitatea de a interacționa puternic cu alți quarci. Dar atunci când trei cuarci, sau un cuarc și un antiquarc, se combină pentru a forma un hadron, combinația totală de încărcături de culoare din acesta este astfel încât hadronul în ansamblu este neutru de culoare. Sarcinile de culoare creează câmpuri cu cuantele lor inerente - bozoni. Schimbul de bosoni virtuali de culoare între quarci și (sau) antiquarci servește drept bază materială pentru interacțiunea puternică. Înainte de descoperirea quarcilor și a interacțiunii culorilor, interacțiunea nucleară era considerată fundamentală, unind protoni și neutroni în nucleele atomilor. Odată cu descoperirea nivelului de quarc al materiei, interacțiunea puternică a început să fie înțeleasă ca interacțiuni de culoare între quarci care se combină în hadroni. Forțele nucleare nu mai sunt considerate fundamentale, ele trebuie cumva exprimate prin forțe colorate. Dar acest lucru nu este ușor de făcut, deoarece barionii (protonii și neutronii) care alcătuiesc nucleul sunt în general neutre de culoare. Prin analogie, putem aminti că atomii în ansamblu sunt neutri din punct de vedere electric, dar la nivel molecular apar forțe chimice, care sunt considerate ecouri ale forțelor atomice electrice.

Cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale considerate stau la baza tuturor celorlalte forme cunoscute de mișcare a materiei, inclusiv cele care au apărut în stadiile cele mai înalte de dezvoltare. Orice forme complexe de mișcare, atunci când sunt descompuse în componente structurale, se găsesc ca modificări complexe ale acestor interacțiuni fundamentale.

2. Dezvoltarea opiniilor științifice asupra interacțiunii particulelor înainte de crearea evolutivă a teoriei „Marea Unificare”

The Grand Unified Theory este o teorie care combină interacțiuni electromagnetice, puternice și slabe. Menționând teoria „Marea Unificare”, se ajunge la faptul că toate forțele care există în natură sunt o manifestare a unei singure forțe fundamentale universale. Există o serie de considerații care dau motive să credem că în momentul Big Bang-ului care a dat naștere universului nostru, doar această forță exista. Cu toate acestea, în timp, universul s-a extins, ceea ce înseamnă că s-a răcit, iar forța unică s-a împărțit în mai multe diferite, pe care le observăm acum. Teoria „Marea Unificare” ar trebui să descrie forțele electromagnetice, puternice, slabe și gravitaționale ca o manifestare a unei singure forțe universale. Există deja unele progrese: oamenii de știință au reușit să construiască o teorie care combină interacțiunile electromagnetice și cele slabe. Cu toate acestea, lucrarea principală asupra teoriei „Mării Uniri” este încă în față.

Fizica modernă a particulelor este forțată să discute probleme care, de fapt, i-au îngrijorat chiar și pe gânditorii antici. Care este originea particulelor și a atomilor chimici formați din aceste particule? Și cum poate fi construit Cosmosul, Universul pe care îl vedem, din particule, indiferent cum le numim? Și încă ceva - Universul a fost creat sau a existat din eternitate? Dacă aceasta este întrebarea corectă, care sunt modalitățile de gândire care pot duce la răspunsuri convingătoare? Toate aceste întrebări sunt similare cu căutarea adevăratelor principii ale ființei, întrebări despre natura acestor principii.

Orice am spune despre Cosmos, un lucru este clar că totul în lumea naturală este într-un fel compus din particule. Dar cum trebuie înțeleasă această compoziție? Se știe că particulele interacționează - se atrag sau se resping reciproc. Fizica particulelor studiază diverse interacțiuni. [Popper K. Despre izvoarele cunoaşterii şi ignoranţei // Vopr. istoria științelor naturale și tehnicii, 1992, nr.3, p. 32.]

Interacțiunea electromagnetică a atras o atenție deosebită în secolele XVIII-XIX. S-au găsit asemănări și diferențe între interacțiunile electromagnetice și gravitaționale. La fel ca gravitația, forțele de interacțiune electromagnetică sunt invers proporționale cu pătratul distanței. Dar, spre deosebire de gravitație, „gravitația” electromagnetică nu numai că atrage particule (diferite ca semn de încărcare), ci și le respinge unele de altele (particule la fel de încărcate). Și nu toate particulele sunt purtătoare de sarcină electrică. De exemplu, fotonul și neutronul sunt neutre în acest sens. În anii 50 ai secolului al XIX-lea. teoria electromagnetică a lui D. C. Maxwell (1831–1879) a unificat fenomenele electrice și magnetice și a clarificat astfel acțiunea forțelor electromagnetice. [Grunbaum A. Origine versus creație în cosmologia fizică (distorsiuni teologice ale cosmologiei fizice moderne). - Î. filozofie, 1995, nr.2, p. nouăsprezece.]

Studiul fenomenelor de radioactivitate a condus la descoperirea unui tip special de interacțiune între particule, care a fost numită interacțiunea slabă. Deoarece această descoperire este legată de studiul radioactivității beta, s-ar putea numi această interacțiune dezintegrare beta. Cu toate acestea, în literatura fizică se obișnuiește să se vorbească despre interacțiunea slabă - este mai slabă decât cea electromagnetică, deși este mult mai puternică decât cea gravitațională. Descoperirea a fost facilitată de cercetările lui W. Pauli (1900–1958), care a prezis că în timpul dezintegrarii beta, apare o particulă neutră, compensând încălcarea aparentă a legii conservării energiei, numită neutrin. Și în plus, studiile lui E. Fermi (1901–1954) au contribuit la descoperirea interacțiunilor slabe, care, împreună cu alți fizicieni, au sugerat că electronii și neutrinii nu există în nucleu, ca să spunem așa, în formă finită, înainte de ele părăsesc nucleul radioactiv, dar se formează în timpul procesului de radiație. [Grunbaum A. Origine versus creație în cosmologia fizică (distorsiuni teologice ale cosmologiei fizice moderne). - Î. filozofie, 1995, nr.2, p. 21.]

În cele din urmă, a patra interacțiune s-a dovedit a fi legată de procesele intranucleare. Numit interacțiune puternică, se manifestă ca o atracție a particulelor intranucleare - protoni și neutroni. Datorită dimensiunilor sale mari, se dovedește a fi o sursă de energie enormă.

Studiul a patru tipuri de interacțiuni a urmat calea căutării conexiunii lor profunde. Pe acest drum obscur, în multe privințe obscur, doar principiul simetriei a ghidat investigația și a condus la identificarea presupusei relații dintre diferitele tipuri de interacțiuni.

Pentru a dezvălui astfel de conexiuni, a fost necesar să se îndrepte spre căutarea unui tip special de simetrie. Un exemplu simplu de acest tip de simetrie este dependența muncii efectuate la ridicarea unei sarcini de înălțimea ascensorului. Energia cheltuită depinde de diferența de înălțime, dar nu depinde de natura traseului de ascensiune. Doar diferenta de inaltime este semnificativa si nu conteaza deloc de la ce nivel incepem masuratoarea. Se poate spune că avem de-a face aici cu simetrie față de alegerea punctului de referință.

În mod similar, puteți calcula energia de mișcare a unei sarcini electrice într-un câmp electric. Analogul înălțimii aici este tensiunea de câmp sau, în caz contrar, potențialul electric. Energia cheltuită în timpul mișcării sarcinii va depinde doar de diferența de potențial dintre punctele de sfârșit și de început din spațiul câmpului. Avem de-a face aici cu așa-numitul gauge sau, cu alte cuvinte, cu simetria scării. Simetria gauge legată de câmpul electric este strâns legată de legea conservării sarcinii electrice.

Simetria gauge s-a dovedit a fi cel mai important instrument care dă naștere posibilității de a rezolva multe dificultăți în teoria particulelor elementare și în numeroase încercări de unificare a diferitelor tipuri de interacțiuni. În electrodinamica cuantică, de exemplu, apar diverse divergențe. Aceste divergențe pot fi eliminate deoarece așa-numita procedură de renormalizare, care elimină dificultățile teoriei, este strâns legată de simetria gauge. Apare ideea că dificultățile în construirea teoriei nu numai a interacțiunilor electromagnetice, ci și a altor interacțiuni pot fi depășite dacă este posibil să se găsească alte simetrii ascunse.

Simetria gabaritului poate lua un caracter generalizat și poate fi legată de orice câmp de forță. La sfârşitul anilor 1960 S. Weinberg (n. 1933) de la Universitatea Harvard și A. Salam (n. 1926) de la Imperial College din Londra, bazându-se pe munca lui S. Glashow (n. 1932), au întreprins o unificare teoretică a interacțiunilor electromagnetice și slabe. . Ei au folosit ideea de simetrie gauge și conceptul de câmp gauge legat de această idee. [Yakushev A. S. Concepte de bază ale științelor naturale moderne. - M., Faptul-M, 2001, p. 29.]

Pentru interacțiunea electromagnetică, se aplică cea mai simplă formă de simetrie a gabaritului. S-a dovedit că simetria interacțiunii slabe este mai complicată decât cea a celei electromagnetice. Această complexitate se datorează complexității procesului în sine, ca să spunem așa, mecanismului de interacțiune slabă.

În procesul de interacțiune slabă, de exemplu, are loc dezintegrarea unui neutron. La acest proces pot participa particule precum neutroni, protoni, electroni și neutrini. Mai mult, din cauza interacțiunii slabe, are loc transformarea reciprocă a particulelor.

Prevederi conceptuale ale teoriei „Mării Uniri”

În fizica teoretică modernă, două noi scheme conceptuale dau tonul: așa-numita teorie „Grand Unified” și supersimetria.

Aceste direcții științifice duc împreună la o idee foarte atractivă, conform căreia întreaga natură este în cele din urmă supusă acțiunii unui fel de superputere, care se manifestă în diverse „persoane”. Această forță este suficient de puternică pentru a crea Universul nostru și a-l înzestra cu lumină, energie, materie și structură. Dar superputerea este mai mult decât un principiu creativ. În ea, materia, spațiu-timp și interacțiunea se contopesc într-un întreg armonios inseparabil, generând o asemenea unitate a Universului pe care nimeni nu și-o imaginase anterior. Scopul științei este, în esență, să caute o astfel de unitate. [Ovchinnikov N. F. Structura și simetria // System Research, M., 1969, p. 137.]

Pe baza acestui fapt, există o anumită încredere în unificarea tuturor fenomenelor de natură animată și neînsuflețită în cadrul unei singure scheme descriptive. Până în prezent, sunt cunoscute patru interacțiuni fundamentale sau patru forțe din natură, responsabile pentru toate interacțiunile cunoscute ale particulelor elementare - interacțiuni puternice, slabe, electromagnetice și gravitaționale. Interacțiunile puternice leagă quarcii. Interacțiunile slabe sunt responsabile pentru unele tipuri de descompunere nucleară. Forțele electromagnetice acționează între sarcini electrice, iar forțele gravitaționale acționează între mase. Prezența acestor interacțiuni este o condiție suficientă și necesară pentru construirea lumii din jurul nostru. De exemplu, fără gravitație, nu numai că nu ar fi existat galaxii, stele și planete, dar Universul nu ar fi putut apărea - la urma urmei, înseși conceptele Universului în expansiune și Big Bang, din care provine spațiu-timp, se bazează. asupra gravitației. Fără interacțiuni electromagnetice, nu ar exista atomi, nici chimie sau biologie, nici căldură și lumină solară. Fără interacțiuni nucleare puternice, nucleul nu ar exista și, în consecință, atomii și moleculele, chimia și biologia, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină din cauza energiei nucleare.

Chiar și forțele nucleare slabe joacă un rol în formarea universului. Fără ele, reacțiile nucleare în Soare și stele ar fi imposibile, aparent, exploziile de supernove nu ar avea loc, iar elementele grele necesare vieții nu s-ar putea răspândi în Univers. Viața ar putea la fel de bine să nu existe. Dacă suntem de acord cu opinia că toate aceste patru interacțiuni complet diferite, fiecare dintre ele necesare în felul său pentru apariția unor structuri complexe și pentru determinarea evoluției întregului Univers, sunt generate de o singură superforță simplă, atunci existența o singură lege fundamentală care funcționează atât în ​​natura vie, cât și în cea neînsuflețită este dincolo de orice îndoială. Cercetările moderne arată că la un moment dat aceste patru forțe ar fi putut fi combinate într-una singură.

Acest lucru a fost posibil la energiile enorme caracteristice erei universului timpuriu la scurt timp după Big Bang. Într-adevăr, teoria unificării interacțiunilor electromagnetice și slabe a fost deja confirmată experimental. Teoriile „Marea Unificare” ar trebui să combine aceste interacțiuni cu altele puternice, iar teoriile „Tot ceea ce este” ar trebui să descrie toate cele patru interacțiuni fundamentale într-un mod unificat ca manifestări ale unei singure interacțiuni. Istoria termică a Universului, începând de la 10–43 sec. după Big Bang și până în prezent, arată că majoritatea heliului-4, heliului-3, deuteronilor (nuclee de deuteriu - un izotop greu de hidrogen) și litiu-7 s-au format în Univers la aproximativ 1 minut după Marea explozie.

Elementele mai grele au apărut în interiorul stelelor zeci de milioane sau miliarde de ani mai târziu, iar apariția vieții corespunde etapei finale a universului în evoluție. Pe baza analizei teoretice efectuate și a rezultatelor simulării pe computer a sistemelor disipative care funcționează departe de echilibru, în condițiile acțiunii unui flux de energie scăzută cu frecvență de cod, am ajuns la concluzia că în Univers există două procese paralele - entropia. și informații. Mai mult, procesul de entropie de transformare a materiei în radiații nu este dominant. [Soldatov VK Teoria „Mării Uniri”. - M., Postscript, 2000, p. 38.]

În aceste condiții, apare un nou tip de autoorganizare evolutivă a materiei, legând comportamentul coerent spațiu-timp al sistemului cu procesele dinamice din cadrul sistemului însuși. Apoi, la scara Universului, această lege va fi formulată astfel: „Dacă Big Bang-ul a dus la formarea a 4 interacțiuni fundamentale, atunci evoluția ulterioară a organizării spațiu-timp a Universului este legată de unificarea lor. " Astfel, în opinia noastră, legea creșterii entropiei trebuie aplicată nu părților individuale ale Universului, ci întregului proces de evoluție a acestuia. În momentul formării sale, Universul s-a dovedit a fi cuantificat în funcție de nivelurile spațiu-timp ale ierarhiei, fiecare dintre acestea corespunzând uneia dintre interacțiunile fundamentale. Fluctuația rezultată, percepută ca o imagine în expansiune a Universului, la un moment dat continuă să-și restabilească echilibrul. Procesul de evoluție ulterioară are loc într-o imagine în oglindă.

Cu alte cuvinte, două procese au loc simultan în universul observabil. Un proces - anti-entropia - este asociat cu restabilirea echilibrului perturbat, prin auto-organizarea materiei și a radiațiilor în stări macrocuantice (ca exemplu fizic, se pot cita stări ale materiei atât de bine-cunoscute precum superfluiditatea, supraconductivitatea și cuantica). Efectul de hol). Acest proces, aparent, determină evoluția consistentă a proceselor de fuziune termonucleară în stele, formarea sistemelor planetare, a mineralelor, a florei, a organismelor unicelulare și pluricelulare. Aceasta urmează automat orientarea de auto-organizare a celui de-al treilea principiu al evoluției progresive a organismelor vii.

Un alt proces este de natură pur entropică și descrie procesele de tranziție evolutivă ciclică a materiei care se auto-organiza (decădere - autoorganizare). Este posibil ca aceste principii să servească drept bază pentru crearea unui aparat matematic care vă permite să combinați toate cele patru interacțiuni într-o singură superputere. După cum sa menționat deja, tocmai această problemă se ocupă în prezent majoritatea fizicienilor teoreticieni. Argumentarea ulterioară a acestui principiu depășește cu mult scopul acestui articol și este legată de construcția teoriei Auto-Organizării Evolutive a Universului. Prin urmare, să facem concluzia principală și să vedem cât de aplicabilă este sistemelor biologice, principiilor controlului lor și, cel mai important, noilor tehnologii pentru tratamentul și prevenirea stărilor patologice ale organismului. În primul rând, ne vor interesa principiile și mecanismele de menținere a autoorganizării și evoluției organismelor vii, precum și cauzele încălcărilor acestora, manifestate sub forma diferitelor patologii.

Primul dintre ele este principiul controlului frecvenței codului, al cărui scop principal este menținerea, sincronizarea și controlul fluxurilor de energie în cadrul oricărui sistem disipator deschis, auto-organizat. Implementarea acestui principiu pentru organismele vii necesită prezența la fiecare nivel ierarhic structural a unui obiect biologic (molecular, subcelular, celular, tisular, organoid, organismic, populațional, biocenotic, biotic, peisaj, biosferic, cosmic) prezența unui bioritmologic. proces asociat consumului și consumului de energie transformabilă, care determină activitatea și succesiunea proceselor din cadrul sistemului. Acest mecanism ocupă un loc central în etapele incipiente ale apariției vieții în formarea structurii ADN și principiul reduplicării codurilor discrete de informații ereditare, precum și în procese precum diviziunea celulară și diferențierea ulterioară. După cum știți, procesul de diviziune celulară are loc întotdeauna într-o secvență strictă: profază, metafază, telofază și apoi anafază. Puteți încălca condițiile de divizare, o puteți preveni, chiar puteți elimina nucleul, dar secvența va fi întotdeauna păstrată. Fără îndoială, corpul nostru este echipat cu cei mai perfecți sincronizatori: un sistem nervos sensibil la cele mai mici modificări ale mediului extern și intern, un sistem umoral mai lent. În același timp, infuzoria-pantof, în absența completă a sistemelor nervos și umoral, trăiește, se hrănește, excretă, se înmulțește și toate aceste procese complexe nu se desfășoară aleatoriu, ci într-o secvență strictă: orice reacție o predetermina următoarea, și care, la rândul său, alocă produsele necesare pentru a începe următoarea reacție. [Soldatov VK Teoria „Mării Uniri”. - M., Postscript, 2000, p. 59.]

Trebuie remarcat că până și teoria lui Einstein a marcat un progres atât de important în înțelegerea naturii, încât în ​​curând a devenit inevitabilă o revizuire a opiniilor asupra altor forțe ale naturii. În acest moment, singura „cealaltă” forță a cărei existență era ferm stabilită era forța electromagnetică. Cu toate acestea, în exterior nu semăna deloc cu gravitația. Mai mult, cu câteva decenii înainte de crearea teoriei gravitației lui Einstein, teoria lui Maxwell a descris cu succes electromagnetismul și nu exista niciun motiv să ne îndoim de validitatea acestei teorii.

De-a lungul vieții, Einstein a visat să creeze o teorie unificată a câmpului în care toate forțele naturii să se contopească pe baza geometriei pure. Einstein și-a dedicat cea mai mare parte a vieții căutării unei astfel de scheme după crearea teoriei generale a relativității. Totuși, în mod ironic, cel mai apropiat lucru de realizarea visului lui Einstein a venit puțin cunoscutul fizician polonez Theodor Kaluza, care, în 1921, a pus bazele unei abordări noi și neașteptate a fizicii unificatoare, care încă zăpăcește imaginația cu îndrăzneala sa. .

Odată cu descoperirea interacțiunilor slabe și puternice în anii 1930, ideile de unificare a gravitației și electromagnetismului și-au pierdut în mare măsură atractivitatea. O teorie consistentă a câmpului unificat trebuia să includă nu două, ci patru forțe. Evident, acest lucru nu s-ar putea face fără a obține o înțelegere profundă a interacțiunilor slabe și puternice. La sfârșitul anilor 1970, datorită unei brize proaspete aduse de Grand Unified Theories (GUT) și supergravitație, vechea teorie Kaluza-Klein a fost amintită. Ea a fost „curățată de praf, îmbrăcată la modă” și a inclus în ea toate interacțiunile cunoscute astăzi.

În GUT, teoreticienii au reușit să colecteze trei tipuri foarte diferite de interacțiuni în cadrul unui singur concept; acest lucru se datorează faptului că toate cele trei interacțiuni pot fi descrise folosind câmpuri gauge. Principala proprietate a câmpurilor gauge este existența simetriilor abstracte, datorită cărora această abordare capătă eleganță și deschide posibilități largi. Prezența simetriilor câmpului de forță indică cu siguranță manifestarea unei geometrii ascunse. În teoria Kaluza-Klein readusă la viață, simetriile câmpurilor gauge dobândesc concretețe - acestea sunt simetrii geometrice asociate cu dimensiuni suplimentare ale spațiului.

Ca și în versiunea originală, interacțiunile sunt introduse în teorie prin adăugarea unor dimensiuni spațiale suplimentare la spațiu-timp. Cu toate acestea, din moment ce acum trebuie să găzduim trei tipuri de interacțiuni, trebuie să introducem câteva dimensiuni suplimentare. O simplă numărare a numărului de operații de simetrie implicate în GUT conduce la o teorie cu șapte dimensiuni spațiale suplimentare (astfel încât numărul lor total să ajungă la zece); dacă se ia în considerare timpul, atunci întregul spațiu-timp are unsprezece dimensiuni. [Soldatov VK Teoria „Mării Uniri”. - M., Postscript, 2000, p. 69.]

Principalele prevederi ale teoriei „Marea Unificare” din punctul de vedere al fizicii cuantice

În fizica cuantică, fiecare scară de lungime este asociată cu o scară de energie (sau masă echivalentă). Cu cât scara de lungime studiată este mai mică, cu atât energia necesară pentru aceasta este mai mare. Pentru a studia structura cuarci a protonului este nevoie de energii echivalente cu cel puțin zece ori masa protonului. Mult mai sus pe scara energetică este masa corespunzătoare Marii Uniri. Dacă vom reuși vreodată să obținem o masă (energie) atât de uriașă, de care suntem foarte departe de astăzi, atunci va fi posibil să studiem lumea particulelor X, în care distincțiile dintre quarci și leptoni sunt șterse.

Ce fel de energie este necesar pentru a pătrunde „în interiorul” celor 7 sfere și a explora dimensiuni suplimentare ale spațiului? Conform teoriei Kaluza-Klein, se cere să depășească scara Marii Unificări și să atingă energii echivalente cu 10 19 mase de protoni. Doar cu astfel de energii inimaginabil de uriașe ar fi posibil să se observe direct manifestările dimensiunilor suplimentare ale spațiului.

Această valoare uriașă - 10 19 mase de protoni - se numește masa Planck, deoarece a fost introdusă pentru prima dată de Max Planck, creatorul teoriei cuantice. Cu o energie corespunzătoare masei Planck, toate cele patru interacțiuni din natură s-ar fuziona într-o singură superforță și zece dimensiuni spațiale ar fi complet egale. Dacă ar fi posibilă concentrarea unei cantități suficiente de energie, „asigurând atingerea masei Planck, atunci întreaga dimensiune a spațiului s-ar manifesta în toată splendoarea sa. [Yakushev A. S. Concepte de bază ale științei naturale moderne. - M., Fapt. -M, 2001, p. 122. ]

Dând frâu liber imaginației, ne putem imagina că într-o zi omenirea va stăpâni superputerea. Dacă s-ar întâmpla acest lucru, atunci am câștiga putere asupra naturii, deoarece superputerea dă naștere în cele din urmă la toate interacțiunile și toate obiectele fizice; în acest sens, este principiul fundamental al tuturor lucrurilor. După ce am stăpânit superputerea, am putea schimba structura spațiului și a timpului, am putea îndoi vidul în felul nostru și am putea pune materia în ordine. Prin controlul superputerii, am putea crea sau transforma particule după bunul plac, generând noi forme exotice de materie. Am putea chiar manipula dimensionalitatea spațiului însuși, creând lumi artificiale bizare cu proprietăți de neconceput. Am fi cu adevărat stăpâni ai universului!

Dar cum se poate realiza acest lucru? În primul rând, trebuie să obțineți suficientă energie. Pentru a vă face o idee despre ce vorbim, amintiți-vă că acceleratorul liniar de la Stanford, lung de 3 km, accelerează electronii la energii echivalente cu 20 de mase de protoni. Pentru a obține energia Planck, acceleratorul ar trebui extins cu un factor de 1018, făcându-l de dimensiunea Căii Lactee (aproximativ o sută de mii de ani lumină). Un astfel de proiect nu este unul dintre cele care pot fi implementate în viitorul apropiat. [Wheeler J.A. Quantum and Universe // Astrofizica, quanta și teoria relativității, M., 1982, p. 276.]

Există trei praguri distincte, sau scări, ale energiei în Marea Teorie Unificată. În primul rând, acesta este pragul Weinberg–Salam, echivalent cu aproape 90 de mase de protoni, peste care interacțiunile electromagnetice și slabe se contopesc într-un singur electroslab. A doua scară, corespunzătoare unei mase de 10 14 protoni, este caracteristică Marii Uniri și noii fizice bazate pe aceasta. În cele din urmă, scara finală, masa Planck, echivalentă cu 10 19 mase de protoni, corespunde unificării complete a tuturor interacțiunilor, în urma căreia lumea este uimitor de simplificată. Una dintre cele mai mari probleme nerezolvate este explicarea existenței acestor trei scale, precum și motivele unei diferențe atât de puternice între prima și a doua dintre ele. [Soldatov VK Teoria „Mării Uniri”. - M., Postscript, 2000, p. 76.]

Tehnologia modernă este capabilă să atingă doar prima scară. Dezintegrarea protonului ne-ar putea oferi un mijloc indirect de a studia lumea fizică la scara Marii Uniri, deși în prezent nu pare să existe nicio speranță de a ajunge direct la această limită, cu atât mai puțin la scara masei Planck.

Înseamnă asta că nu vom putea niciodată să observăm manifestările superputerii originale și cele șapte dimensiuni invizibile ale spațiului? Folosind astfel de mijloace tehnice precum superconductorul superconductor, ne mișcăm rapid la scara de energii realizabile în condiții terestre. Cu toate acestea, tehnologia creată de oameni nu epuizează în niciun caz toate posibilitățile - există natura însăși. Universul este un gigantic laborator natural în care cel mai mare experiment din domeniul fizicii particulelor elementare a fost „realizat” în urmă cu 18 miliarde de ani. Numim acest experiment Big Bang. După cum vom discuta mai târziu, acest eveniment inițial a fost suficient pentru a elibera - chiar dacă pentru un moment foarte scurt - superputere. Totuși, acest lucru, aparent, a fost suficient pentru ca existența fantomatică a unei superputeri să-și lase pentru totdeauna amprenta. [Yakushev A. S. Concepte de bază ale științelor naturale moderne. - M., Faptul-M, 2001, p. 165.]

Forța slabă, sau forța nucleară slabă, este una dintre cele patru forțe fundamentale din natură. Este responsabil, în special, de degradarea beta a nucleului. Această interacțiune se numește slabă, deoarece celelalte două interacțiuni care sunt semnificative pentru fizica nucleară (puternică și electromagnetică) sunt caracterizate de o intensitate mult mai mare. Cu toate acestea, este mult mai puternic decât a patra dintre interacțiunile fundamentale, gravitațională. Această interacțiune este cea mai slabă dintre interacțiunile fundamentale observate experimental în dezintegrarea particulelor elementare, unde efectele cuantice sunt fundamental semnificative. Manifestările cuantice ale interacțiunii gravitaționale nu au fost niciodată observate. Interacțiunea slabă este evidențiată folosind următoarea regulă: dacă o particulă elementară numită neutrin (sau antineutrin) participă la procesul de interacțiune, atunci această interacțiune este slabă.

Un exemplu tipic de interacțiune slabă este dezintegrarea beta a neutronilor

unde n este un neutron, p este un proton, e- este un electron, e este un electron antineutrin.

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că regula de mai sus nu înseamnă deloc că orice act de interacțiune slabă trebuie să fie însoțit de un neutrin sau antineutrin. Se știe că au loc un număr mare de dezintegrari fără neutrini. Ca exemplu, putem observa procesul de dezintegrare a unui hiperon lambda într-un proton p și un pion încărcat negativ. Conform conceptelor moderne, neutronul și protonul nu sunt cu adevărat particule elementare, ci constau din particule elementare numite quarci.

Intensitatea interacțiunii slabe este caracterizată de constanta de cuplare Fermi GF. Constanta GF este dimensională. Pentru a forma o cantitate adimensională, este necesar să se folosească o masă standard, de exemplu, masa protonilor mp. Atunci constanta de cuplare adimensională va fi

Se poate observa că interacțiunea slabă este mult mai intensă decât cea gravitațională.

Interacțiunea slabă, spre deosebire de cea gravitațională, este pe distanță scurtă. Aceasta înseamnă că interacțiunea slabă dintre particule intră în joc doar dacă particulele sunt suficient de aproape una de cealaltă. Dacă distanța dintre particule depășește o anumită valoare, numită raza caracteristică de interacțiune, interacțiunea slabă nu se manifestă. S-a stabilit experimental că raza caracteristică a interacțiunii slabe de ordinul 10-15 cm, adică interacțiunea slabă, este concentrată la distanțe mai mici decât dimensiunea nucleului atomic. Deși interacțiunea slabă este concentrată în mod esențial în interiorul nucleului, ea are anumite manifestări macroscopice. În plus, interacțiunea slabă joacă un rol important în așa-numitele reacții termonucleare responsabile de mecanismul de eliberare a energiei în stele. Cea mai uimitoare proprietate a interacțiunii slabe este existența unor procese în care se manifestă asimetria în oglindă. La prima vedere, pare evident că diferența dintre conceptele de stânga și dreapta este arbitrară. Într-adevăr, procesele de interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și puternice sunt invariante în raport cu inversiunea spațială, care implementează reflectarea în oglindă. Se spune că în astfel de procese se păstrează paritatea spațială P. Cu toate acestea, s-a stabilit experimental că procesele slabe pot proceda cu neconservarea parității spațiale și, prin urmare, par să simtă diferența dintre stânga și dreapta. În prezent, există dovezi experimentale solide că neconservarea parității în interacțiunile slabe este de natură universală; se manifestă nu numai în dezintegrarea particulelor elementare, ci și în fenomene nucleare și chiar atomice. Trebuie recunoscut că asimetria oglinzii este o proprietate a Naturii la cel mai fundamental nivel.

Alte articole:

state
În 1932, a fost propus modelul proton-neutron Ivanenko-Heisenberg. Nucleii cu aceeași sarcină și mase diferite se numesc izotopi. 75% 25% clor natural. Nuclei cu aceleași numere de masă, dar cu sarcini diferite...

Compoziția chimică și proprietățile fizico-chimice ale ADN-ului
ADN-ul este un acid tare polibazic, ale cărui săruri alcaline formează soluții coloidale transparente foarte vâscoase în apă, solidificându-se la o concentrație de peste 0,25%. Soluțiile de ADN sunt caracterizate printr-o vâscozitate (structurală) anormală...

Proces de semi-curgere profundă în două etape
Bacteriile cresc în primul fermentator. O parte din conținutul primului fermentator este pompat în al doilea, unde fermentația este finalizată. Mustul proaspăt este adăugat la primul fermentator, iar conținutul celui de-al doilea este turnat complet. Poet...

Interacțiune slabă

Interacțiune puternică

Interacțiunea puternică este pe distanță scurtă. Raza sa de acțiune este de aproximativ 10-13 cm.

Particulele implicate în interacțiunea puternică se numesc hadroni. Într-o substanță stabilă obișnuită la o temperatură nu prea ridicată, interacțiunea puternică nu provoacă niciun proces. Rolul său este de a crea o legătură puternică între nucleoni (protoni și neutroni) din nuclee. Energia de legare este în medie de aproximativ 8 MeV per nucleon. În acest caz, în timpul ciocnirilor de nuclee sau nucleoni cu o energie suficient de mare (de ordinul a sute de MeV), interacțiunea puternică duce la numeroase reacții nucleare: fisiunea nucleelor, transformarea unor nuclee în altele etc.

Începând cu energiile de ciocnire a nucleonilor de ordinul a câteva sute de MeV, interacțiunea puternică duce la producerea de P-mezoni. La energii și mai mari, se nasc K-mezonii și hiperonii și multe rezonanțe meson și barion (rezonanțe sunt stări excitate de scurtă durată ale hadronilor).

În același timp, s-a dovedit că nu toate particulele experimentează o interacțiune puternică. Deci, este experimentat de protoni și neutroni, dar electronii, neutrinii și fotonii nu sunt supuși acesteia. De obicei, doar particulele grele participă la interacțiunea puternică.

Explicația teoretică a naturii interacțiunii puternice a fost dificil de dezvoltat. O descoperire a fost conturată abia la începutul anilor 1960, când a fost propus modelul cuarcilor. În această teorie, neutronii și protonii sunt considerați nu ca particule elementare, ci ca sisteme compozite construite din quarci.

Cuantele puternice de interacțiune sunt opt ​​gluoni. Gluonii și-au primit numele de la cuvântul englezesc glue (glue), deoarece sunt responsabili pentru izolarea quarcilor. Restul maselor de gluoni sunt egale cu zero. În același timp, gluonii au o încărcătură de culoare, datorită căreia sunt capabili să interacționeze între ei, după cum se spune, de autoacțiune, ceea ce duce la dificultăți în descrierea matematică a interacțiunii puternice din cauza neliniarității sale.

Raza sa de acțiune este mai mică de 10-15 cm. Interacțiunea slabă este cu câteva ordine de mărime mai slabă decât nu numai puternică, ci și electromagnetică. În același timp, este mult mai puternic decât cel gravitațional din microcosmos.

Primul proces descoperit și cel mai răspândit cauzat de interacțiunea slabă este dezintegrarea radioactivă b a nucleelor.
Găzduit pe ref.rf
Acest tip de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de către A.A. Becquerel.em. În procesul de dezintegrare electronică radioactivă / b - - /, unul dintre neutroni / n/ nucleul atomic se transformă într-un proton / R/ cu emisie de electroni / e-/ și antineutrino electronic //:

n ® p + e-+

În procesul de dezintegrare a pozitronului /b + -/ are loc o tranziție:

p® n + e++

În prima teorie a dezintegrarii b, creată în 1934 de E. Fermi, pentru a explica acest fenomen, a fost necesar să se introducă o ipoteză despre existența unui tip special de forțe cu rază scurtă de acțiune care provoacă tranziția.

n ® p + e-+

Cercetările ulterioare au arătat că interacțiunea introdusă de Fermi are un caracter universal.
Găzduit pe ref.rf
Ea provoacă dezintegrarea tuturor particulelor instabile, ale căror mase și reguli de selecție pentru numerele cuantice nu le permit să se descompună din cauza interacțiunii puternice sau electromagnetice. Interacțiunea slabă este inerentă tuturor particulelor, cu excepția fotonilor. Timpul caracteristic al proceselor de interacțiune slabă la energii de ordinul a 100 MeV este cu 13-14 ordine de mărime mai mare decât timpul caracteristic pentru interacțiunea puternică.

Cuantele de interacțiune slabă sunt trei bosoni - W + , W − , Z°- bosoni. Superscriptele indică semnul sarcinii electrice a acestor cuante. Cuantele interacțiunii slabe au o masă semnificativă, ceea ce duce la faptul că interacțiunea slabă se manifestă la distanțe foarte mici.

Trebuie avut în vedere că astăzi interacțiunile slabe și electromagnetice sunt deja combinate într-o singură teorie. Există o serie de scheme teoretice în care se încearcă crearea unei teorii unificate a tuturor tipurilor de interacțiune. Cu toate acestea, aceste scheme nu sunt încă suficient de dezvoltate pentru a fi testate experimental.

26. Fizica structurilor. Abordare corpusculară a descrierii și explicației naturii. Reductionism

Obiectele fizicii structurale sunt elemente ale structurii materiei (de exemplu, molecule, atomi, particule elementare) și formarea mai complexă a acestora. Aceasta este:

1) plasma - este un gaz în care o parte semnificativă a moleculelor sau atomilor sunt ionizate;

2) cristale- acestea sunt solide în care atomii sau moleculele sunt aranjați ordonat și formează o structură internă care se repetă periodic;

3) lichide- aceasta este starea agregată a materiei, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ combină caracteristicile unei stări solide (conservarea volumului, o anumită rezistență la tracțiune) și gazoase (variabilitatea formei).

Fluidele se caracterizează prin:

a) ordinea cu rază scurtă de aranjare a particulelor (molecule, atomi);

b) o mică diferență în energia cinetică a mișcării termice și energia lor potențială de interacțiune.

4) stele,ᴛ.ᴇ. bile strălucitoare de gaz (plasmă).

La evidențierea ecuațiilor structurale ale materiei se folosesc următoarele criterii:

Dimensiuni spațiale: particulele de același nivel au dimensiuni spațiale de același ordin (de exemplu, toți atomii au dimensiuni de ordinul a 10 -8 cm);

Timpul proceselor: la un nivel, este cam aceeași ordine;

Obiectele de același nivel constau din aceleași elemente (de exemplu, toate nucleele constau din protoni și neutroni);

Legile care explică procesele la un nivel sunt calitativ diferite de legile care explică procesele la un alt nivel;

Obiectele de diferite niveluri diferă în proprietăți de bază (de exemplu, toți atomii sunt neutri din punct de vedere electric și toți nucleele sunt încărcate electric pozitiv).

Pe măsură ce sunt descoperite noi niveluri de structură și stări ale materiei, aria obiectului fizicii structurale se extinde.

Trebuie avut în vedere faptul că atunci când se rezolvă probleme fizice specifice, problemele legate de elucidarea structurii, interacțiunii și mișcării sunt strâns legate între ele.

La baza fizicii structurale se afla abordarea corpusculara a descrierii si explicarii naturii.

Pentru prima dată, conceptul de atom ca ultimă și indivizibilă particulă a corpului a apărut în Grecia Antică în cadrul învățăturilor natural-filosofice ale școlii lui Leucip-Democrit. Conform acestui punct de vedere, în lume există doar atomi care se mișcă în gol. Vechii atomisti considerau continuitatea materiei ca fiind evidenta. Diverse combinații de atomi formează diverse corpuri vizibile. Această ipoteză nu sa bazat pe date experimentale. Ea a fost doar o presupunere genială. Dar a determinat întreaga dezvoltare ulterioară a științelor naturale pentru multe secole care au urmat.

Ipoteza atomilor ca particule indivizibile de materie a fost reînviată în știința naturii, în special, în fizică și chimie pentru a explica unele modele care au fost stabilite empiric (de exemplu, legile lui Boyle-Mariotte și Gay-Lussac pentru gazele ideale, expansiunea termică). a corpurilor etc.). d.). Într-adevăr, legea lui Boyle-Mariotte spune că volumul unui gaz este invers proporțional cu presiunea acestuia, dar nu explică de ce este așa. În mod similar, atunci când un corp este încălzit, dimensiunile acestuia cresc. Dar care este motivul acestei extinderi? În teoria cinetică a materiei, acestea și alte regularități stabilite de experiență sunt explicate cu ajutorul atomilor și moleculelor.

Într-adevăr, scăderea direct observată și măsurată a presiunii gazului cu o creștere a volumului său în teoria cinetică a materiei este explicată ca o creștere a drumului liber al atomilor și moleculelor sale constitutive. În consecință, volumul ocupat de gaz crește. În mod similar, expansiunea corpurilor atunci când sunt încălzite în teoria cinetică a materiei se explică printr-o creștere a vitezei medii a moleculelor în mișcare.

Explicațiile în care proprietățile unor substanțe sau corpuri complexe încearcă să fie reduse la proprietățile elementelor sau componentelor lor mai simple se numesc reducţionismul. Această metodă de analiză a făcut posibilă rezolvarea unei clase mari de probleme din știința naturii.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea. Se credea că atomul este cea mai mică, indivizibilă, fără structură a materiei. În același timp, descoperirile electronului, radioactivitatea au arătat că nu este așa. Apare modelul planetar al atomului lui Rutherford. Apoi este înlocuit cu modelul N. Bora. Dar, ca și înainte, gândirea fizicienilor are ca scop reducerea întregii varietăți de proprietăți complexe ale corpurilor și fenomenelor naturale la proprietățile simple ale unui număr mic de particule primare. Ulterior, aceste particule au fost numite elementar. Acum numărul lor total depășește 350. Din acest motiv, este puțin probabil ca toate astfel de particule să poată fi numite cu adevărat elementare, neconținând alte elemente. Această credință este întărită în legătură cu ipoteza existenței quarcilor. Potrivit acestuia, particulele elementare cunoscute constau din particule cu sarcini electrice fracționate. Ei sunt numiti, cunoscuti quarcuri.

În funcție de tipul de interacțiune la care participă particulele elementare, toate, cu excepția fotonului, sunt clasificate în două grupe:

1) hadronii. Merită spus că se caracterizează prin prezența unei interacțiuni puternice. În același timp, ei pot participa și la interacțiuni slabe și electromagnetice;

2) leptoni. Οʜᴎ participă numai la interacțiuni electromagnetice și slabe;

După durata de viață se disting:

a) particule elementare stabile. Acestea sunt electronul, fotonul, protonul și neutrino;

b) cvasistabili. Acestea sunt particule care se degradează din cauza interacțiunilor electromagnetice și slabe. De exemplu, la + ® m ++;

c) instabil. Dezintegrarea Οʜᴎ din cauza interacțiunii puternice, de exemplu, neutroni.

Sarcinile electrice ale particulelor elementare sunt multipli ai celei mai mici sarcini inerente unui electron. În același timp, particulele elementare sunt împărțite în perechi de particule - antiparticule, de exemplu, e - - e + (toate au aceleași caracteristici, iar semnele sarcinii electrice sunt opuse). Particulele neutre din punct de vedere electric au, de asemenea, antiparticule, de exemplu, P -,- .

Deci, conceptul atomistic se bazează pe conceptul de structură discretă a materiei. Abordarea atomistă explică proprietățile unui obiect fizic pe baza proprietăților celor mai mici particule ale sale, care la un anumit stadiu al cunoașterii sunt considerate indivizibile. Din punct de vedere istoric, astfel de particule au fost mai întâi recunoscute ca atomi, apoi particule elementare, iar acum - quarci. Dificultatea acestei abordări este reducerea completă a complexului la simplu, care nu ține cont de diferențele calitative dintre ele.

Până la sfârșitul primului sfert al secolului al XX-lea, ideea unității structurii macro- și microcosmosului a fost înțeleasă mecanic, ca identitate completă a legilor și similitudine completă a structurii ambelor.

Microparticulele au fost interpretate ca copii în miniatură ale macrocorpilor, ᴛ.ᴇ. ca bile extrem de mici (corpuscule) care se deplasează de-a lungul orbitelor precise, care sunt complet analoge cu orbitele planetare, cu singura diferență că corpurile cerești sunt conectate prin forțe de interacțiune gravitațională, iar microparticulele - prin forțe de interacțiune electrică.

După descoperirea electronului (Thomson, 1897 ᴦ.), crearea teoriei cuantice (Planck, 1900 ᴦ.), introducerea conceptului de foton (Einstein, 1905 ᴦ.), doctrina atomică a căpătat un nou caracter .
Găzduit pe ref.rf
Ideea de discreție a fost extinsă la domeniul fenomenelor electrice și luminoase, la conceptul de energie (în secolul al XIX-lea, doctrina energiei a servit ca sferă de reprezentare a cantităților continue și a funcțiilor de stare). Cea mai importantă trăsătură a doctrinei atomice moderne este atomismul acțiunii. Este legat de faptul că mișcarea, proprietățile și stările diferitelor micro-obiecte pot fi cuantificate, ᴛ.ᴇ. sunt exprimate sub formă de mărimi și rapoarte discrete. Noua atomistică recunoaște stabilitatea relativă a fiecărui tip discret de materie, certitudinea sa calitativă, indivizibilitatea și ireversibilitatea sa relativă în anumite limite ale fenomenelor naturale. De exemplu, fiind divizibil în unele moduri fizice, atomul este indivizibil din punct de vedere chimic, ᴛ.ᴇ. în procesele chimice se comportă ca ceva întreg, indivizibil. O moleculă, fiind divizibilă chimic în atomi, în mișcare termică (până la anumite limite) se comportă ca întreg, indivizibilă etc.

Deosebit de importantă în conceptul de noi atomistică este recunoașterea interconvertibilității oricăror tipuri discrete de materie.

Diferitele niveluri ale organizării structurale a realității fizice (quarci, microparticule, nuclei, atomi, molecule, macrocorpi, megasisteme) au propriile legi fizice specifice. Dar indiferent de cât de diferit fenomenele studiate de fenomenele studiate de fizica clasică, toate datele experimentale trebuie descrise folosind concepte clasice. Există o diferență fundamentală între descrierea comportamentului microobiectului studiat și descrierea funcționării instrumentelor de măsură. Acesta este rezultatul faptului că funcționarea instrumentelor de măsură, în principiu, ar trebui descrisă în limbajul fizicii clasice, în timp ce obiectul studiat poate să nu fie descris în acest limbaj.

Abordarea corpusculară în explicarea fenomenelor și proceselor fizice a fost întotdeauna combinată cu abordarea continuum de la apariția fizicii interacțiunii. Ea a fost exprimată în conceptul de câmp și dezvăluirea rolului său în interacțiunea fizică. Reprezentarea câmpului ca flux al unui anumit tip de particule (teoria câmpului cuantic) și atribuirea proprietăților undei oricărui obiect fizic (ipoteza lui Louis de Broglie) au combinat aceste două abordări ale analizei fenomenelor fizice.

Interacțiune slabă - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Interacțiune slabă” 2017, 2018.

Interacțiune slabă.K Pentru a dezvălui existența interacțiunii slabe, fizica a progresat încet. Forța slabă este responsabilă pentru descompunerea particulelor; și de aceea manifestarea sa a fost confruntă cu descoperirea radioactivității și cu studiul dezintegrarii beta.
Degradarea beta a prezentat o caracteristică extrem de bizară. Studiile au condus la concluzia că această dezintegrare părea să încalce una dintre legile fundamentale ale fizicii - legea conservării energiei. Se părea că o parte din energie a dispărut undeva. Pentru a „salva” legea conservării energiei, V. Pauli a sugerat că în timpul dezintegrarii beta, împreună cu un electron, o altă particulă zboară, luând cu ea energia lipsă. Este neutru și are o putere de penetrare neobișnuit de mare, drept urmare nu a putut fi observată. E. Fermi a numit particula invizibilă „neutrin”.
Dar predicția neutrinului este doar începutul problemei, formularea sa. A fost necesar să se explice natura neutrinului, dar a rămas mult mister. Cert este că electronii și neutrinii au fost emiși de nucleele instabile. Dar s-a dovedit de necontestat că nu există astfel de particule în interiorul nucleelor. S-a sugerat că electronii și neutrinii nu există în nucleu într-o „formă gata făcută”, ci sunt formați cumva din energia nucleului radioactiv. Studiile ulterioare au arătat că neutronii care alcătuiesc nucleul, lăsați singuri, după câteva minute se descompun într-un proton, un electron și un neutrin, adică. în loc de o particulă, apar trei noi. Analiza a condus la concluzia că forțele cunoscute nu pot provoca o astfel de dezintegrare. El, se pare, a fost generat de o altă forță, necunoscută. Studiile au arătat că această forță corespunde unei interacțiuni slabe.
Interacțiunea slabă este mult mai mică decât toate

alte interacțiuni decât gravitaționale, iar în sistemele în care este prezent, efectele sale sunt umbrite de interacțiuni electromagnetice și puternice. În plus, forța slabă se propagă pe distanțe foarte mici. Raza de interacțiune slabă este foarte mică. Interacțiunea slabă se oprește la o distanță mai mare de 10-16 cm de sursă și, prin urmare, nu poate afecta obiectele macroscopice, ci se limitează la microcosmos, particulele subatomice. Când a început descoperirea ca o avalanșă a multor particule subnucleare instabile, s-a constatat că majoritatea dintre ele participă la interacțiuni slabe.

Interacțiune puternică. Ultimul printre interacțiunile fundamentale se numără interacțiunea puternică, care este o sursă de energie enormă. Cel mai caracteristic exemplu de energie eliberată de forța puternică este Soarele. În adâncurile Soarelui și stelelor au loc continuu reacții termonucleare, cauzate de interacțiuni puternice. Dar omul a învățat și să elibereze interacțiunea puternică: a fost creată o bombă cu hidrogen, iar tehnologiile pentru reacția termonucleară controlată au fost concepute și sunt îmbunătățite.
Fizica a ajuns la ideea existenței unei interacțiuni puternice în cursul studierii structurii nucleului atomic. O anumită forță trebuie să țină protonii încărcați pozitiv în nucleu, împiedicându-i să zboare separat sub acțiunea repulsiei electrostatice. Gravitația este prea slabă pentru a oferi acest lucru; Evident, este nevoie de un fel de interacțiune, în plus, mai puternică decât electromagnetică. A fost descoperit ulterior. S-a dovedit că, deși interacțiunea puternică depășește semnificativ toate celelalte interacțiuni fundamentale în amploarea sa, nu se simte în afara nucleului. Ca și în cazul interacțiunii slabe, raza de acțiune a noii forțe s-a dovedit a fi foarte mică: interacțiunea puternică se manifestă la o distanță determinată de mărimea nucleului, adică. aproximativ 10-13 cm În plus, s-a dovedit că nu toate particulele experimentează o interacțiune puternică. Deci, este experimentat de protoni și neutroni, dar electronii, neutrinii și fotonii nu sunt supuși acesteia. De obicei, doar particulele grele participă la interacțiunea puternică. Este responsabil pentru formarea nucleelor ​​și a multor interacțiuni ale particulelor elementare.
Explicația teoretică a naturii interacțiunii puternice a fost dificil de dezvoltat. O descoperire a fost conturată abia la începutul anilor 1960, când a fost propus modelul cuarcilor. În această teorie, neutronii și protonii sunt considerați nu ca particule elementare, ci ca sisteme compozite construite din quarci.

Interacțiune gravitațională există între toate particulele elementare și determină atracția gravitațională a tuturor corpurilor unul față de celălalt la orice distanță (vezi legea gravitației universale); este neglijabil de mic în procesele fizice din microcosmos, dar joacă un rol major, de exemplu, în cosmogonie. Interacțiune slabă se manifestă numai la distanțe de aproximativ 10-18 m și provoacă procese de dezintegrare (de exemplu, dezintegrarea beta a unor particule elementare și

nuclee). Interacțiunea electromagnetică există la orice distanță între particulele elementare care au o sarcină electrică sau un moment magnetic; în special, determină legătura dintre electroni și nuclee în atomi și este, de asemenea, responsabil pentru toate tipurile de radiații electromagnetice. Interacțiunea puternică se manifestă la distanțe de aproximativ 10-15 m și determină existența nucleelor ​​atomice.

Interacțiune slabă

Această interacțiune este cea mai slabă dintre interacțiunile fundamentale observate experimental în dezintegrarea particulelor elementare, unde efectele cuantice sunt fundamental semnificative. Amintiți-vă că manifestările cuantice ale interacțiunii gravitaționale nu au fost niciodată observate. Interacțiunea slabă este evidențiată folosind următoarea regulă: dacă o particulă elementară numită neutrin (sau antineutrin) participă la procesul de interacțiune, atunci această interacțiune este slabă.

Interacțiunea slabă este mult mai intensă decât cea gravitațională.

Interacțiunea slabă, spre deosebire de cea gravitațională, este pe distanță scurtă. Aceasta înseamnă că interacțiunea slabă dintre particule intră în joc doar dacă particulele sunt suficient de aproape una de cealaltă. Dacă distanța dintre particule depășește o anumită valoare, numită raza caracteristică de interacțiune, interacțiunea slabă nu se manifestă. S-a stabilit experimental că raza caracteristică a interacțiunii slabe de ordinul 10-15 cm, adică interacțiunea slabă, este concentrată la distanțe mai mici decât dimensiunea nucleului atomic.

De ce putem vorbi despre interacțiunea slabă ca o formă independentă de interacțiuni fundamentale? Răspunsul este simplu. S-a stabilit că există procese de transformare a particulelor elementare care nu pot fi reduse la interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și puternice. Un bun exemplu care arată că există trei interacțiuni calitativ diferite în fenomenele nucleare este legat de radioactivitate. Experimentele indică prezența a trei tipuri diferite de radioactivitate: a-, b și g-dezintegrari radioactive. În acest caz, a-decay se datorează interacțiunii puternice, g-decay - electromagnetic. Dezintegrarea b rămasă nu poate fi explicată prin interacțiunile electromagnetice și puternice și suntem forțați să acceptăm că există o altă interacțiune fundamentală numită cea slabă. În cazul general, necesitatea introducerii unei interacțiuni slabe se datorează faptului că în natură au loc procese în care dezintegrarile electromagnetice și puternice sunt interzise de legile de conservare.

Deși interacțiunea slabă este concentrată în mod esențial în interiorul nucleului, ea are anumite manifestări macroscopice. După cum am observat deja, este asociat cu procesul de radioactivitate b. În plus, interacțiunea slabă joacă un rol important în așa-numitele reacții termonucleare responsabile de mecanismul de eliberare a energiei în stele.

Cea mai uimitoare proprietate a interacțiunii slabe este existența unor procese în care se manifestă asimetria în oglindă. La prima vedere, pare evident că diferența dintre conceptele de stânga și dreapta este arbitrară. Într-adevăr, procesele de interacțiuni gravitaționale, electromagnetice și puternice sunt invariante în raport cu inversiunea spațială, care implementează reflectarea în oglindă. Se spune că în astfel de procese se păstrează paritatea spațială P. Cu toate acestea, s-a stabilit experimental că procesele slabe pot proceda cu neconservarea parității spațiale și, prin urmare, par să simtă diferența dintre stânga și dreapta. În prezent, există dovezi experimentale solide că neconservarea parității în interacțiunile slabe este de natură universală; se manifestă nu numai în dezintegrarea particulelor elementare, ci și în fenomene nucleare și chiar atomice. Trebuie recunoscut că asimetria oglinzii este o proprietate a Naturii la cel mai fundamental nivel.

Toate corpurile încărcate, toate particulele elementare încărcate participă la interacțiunea electromagnetică. În acest sens, este destul de universal. Teoria clasică a interacțiunii electromagnetice este electrodinamica maxwelliană. Sarcina electronului e este luată ca constantă de cuplare.

Dacă luăm în considerare două sarcini de repaus q1 și q2, atunci interacțiunea lor electromagnetică se va reduce la o forță electrostatică cunoscută. Aceasta înseamnă că interacțiunea este pe distanță lungă și scade lent odată cu creșterea distanței dintre încărcări. O particulă încărcată emite un foton, prin care starea mișcării sale se schimbă. O altă particulă absoarbe acest foton și, de asemenea, își schimbă starea mișcării. Ca rezultat, particulele par să simtă prezența reciprocă. Este bine cunoscut faptul că sarcina electrică este o mărime dimensională. Este convenabil să se introducă constanta de cuplare adimensională a interacțiunii electromagnetice. Pentru a face acest lucru, trebuie să folosim constantele fundamentale și c. Ca rezultat, ajungem la următoarea constantă de cuplare adimensională, care se numește constanta de structură fină în fizica atomică

Este ușor de observat că această constantă depășește semnificativ constantele interacțiunilor gravitaționale și slabe.

Dintr-un punct de vedere modern, interacțiunile electromagnetice și slabe sunt aspecte diferite ale interacțiunii unice electroslabe. A fost creată o teorie unificată a interacțiunii electroslabe - teoria Weinberg-Salam-Glashow, care explică dintr-o poziție unificată toate aspectele interacțiunilor electromagnetice și slabe. Este posibil să înțelegem la nivel calitativ cum interacțiunea unificată este împărțită în interacțiuni separate, parcă independente?

Atâta timp cât energiile caracteristice sunt suficient de mici, interacțiunile electromagnetice și cele slabe sunt separate și nu se afectează reciproc. Pe măsură ce energia crește, începe influența lor reciprocă, iar la energii suficient de mari aceste interacțiuni se contopesc într-o singură interacțiune electroslabă. Energia caracteristică de unificare este estimată în ordinul mărimii ca 102 GeV (GeV este prescurtarea de la gigaelectronvolt, 1 GeV = 109 eV, 1 eV = 1,6 10-12 erg = 1,6 1019 J). Pentru comparație, observăm că energia caracteristică a unui electron în starea fundamentală a unui atom de hidrogen este de aproximativ 10-8 GeV, energia caracteristică de legare a unui nucleu atomic este de aproximativ 10-2 GeV, energia caracteristică de legare a unui solid este aproximativ 10-10 GeV. Astfel, energia caracteristică unificării interacțiunilor electromagnetice și slabe este enormă în comparație cu energiile caracteristice din fizica atomică și nucleară. Din acest motiv, interacțiunile electromagnetice și slabe nu își manifestă esența comună în fenomenele fizice obișnuite.

Interacțiune puternică

Forța puternică este responsabilă pentru stabilitatea nucleelor ​​atomice. Deoarece nucleele atomice ale majorității elementelor chimice sunt stabile, este clar că interacțiunea care îi împiedică dezintegrare trebuie să fie suficient de puternică. Este bine cunoscut faptul că nucleele sunt formate din protoni și neutroni. Pentru ca protonii încărcați pozitiv să nu se împrăștie în direcții diferite, este necesar să existe între ei forțe atractive care depășesc forțele de repulsie electrostatică. Interacțiunea puternică este cea care este responsabilă pentru aceste forțe atractive.

O trăsătură caracteristică a interacțiunii puternice este independența sa de sarcină. Forțele nucleare de atracție dintre protoni, dintre neutroni și dintre un proton și un neutron sunt în esență aceleași. Din aceasta rezultă că din punct de vedere al interacțiunilor puternice, protonul și neutronul nu se pot distinge și pentru ele se folosește termenul unic de nucleon, adică o particulă a nucleului.

Așadar, am făcut o trecere în revistă a informațiilor de bază referitoare la cele patru interacțiuni fundamentale ale Naturii. Sunt descrise pe scurt manifestările microscopice și macroscopice ale acestor interacțiuni și tabloul fenomenelor fizice în care acestea joacă un rol important.